超材料前沿研究一周精选2023年3月13日-2023年3月19日

索引：

1.硅中光子和空穴自旋之间的强耦合

2.钙钛矿结构氧化物的异常强相干二次光电发射

3.双层MoS₂/单层石墨烯范德华异质结构中二次谐波的产生

4.具有连续谱铰链束缚态的声学高阶Weyl半金属

5.一种用于双向相位调制的自偏置非互易磁超表面

6.智能民用基础设施的多功能纳米发电机集成超构材料混凝土系统

7.非厄米自旋链中用广义核多项式算法研究的拓扑自旋激励

8.纳米层包覆的3D打印光聚合物晶格的协同防火性

腔量子电动力学(Cavity-QED)是研究原子量子自由度与特定空间内光场之间相互作用的方法，为光物质相互作用的研究提供全新平台，促进了基于超导量子比特的固态量子处理器的研究发展。其中，人工量子点与超导微波谐振器耦合构成的混合系统就是一个突出的例子，半导体量子点中的自旋构成了一个可扩展量子信息处理平台，例如硅基量子点能够承载自旋自由度编码的长相干量子比特。将它们与超导微波谐振器的光子模式强烈耦合，将实现快速的无损读取和远程芯片互通。基于硅的自旋量子比特已经取得了显著的进展，在一个和两个量子比特的门运算中均可以达到较高保真度，后者是通过邻近量子比特之间的隧穿介导的交换相互作用实现的。

近日，法国格勒诺布尔大学Romain Maurand等人实现了超导谐振腔中微波光子和硅基双量子点中的空穴自旋的强耦合，证明了自旋量子比特与高阻抗超导微波谐振器的量子场的强相互作用。通过利用硅本征的强自旋-轨道相互作用，实现了高达330 MHz的自旋-光子耦合速率，这大大超过了自旋-光子的混合退相干速率。该工作提出了硅基MOS器件在自旋电路QED中的强大优势，为半导体量子点中自旋的电路量子电动力学的发展开辟了一条新的路径。相关工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（袁铭谦）

文章链接：

C. X. Yu, S. Zihlmann, J. C. Abadillo-Uriel, et al. Strong coupling between a photon and a hole spin in silicon. Nat. Nanotechnol. (2023).

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01332-3

光电阴极是指利用光电效应将光子转化为电子的材料。它是许多依赖光探测或电子束产生的现代技术的关键基础。然而，目前现有的光电阴极是基于传统金属和半导体，这些金属和半导体大部分是在六十年前发现的，并有良好的理论基础。这一成熟领域的进展仅限于基于复杂材料工程的光阴极性能的改进。在这里，研究人员报告了 SrTiO3单晶重构表面的不寻常的光电发射特性，它超出了现有的理论描述。与其他正电子亲和(PEA)光阴极不同，PEA SrTiO3表面在室温下产生离散的二次光电发射光谱，这是有效的负电子亲和光阴极材料的特征。在低温下，光电子发射峰强度大大增强，并且在非阈值激发下获得的电子束显示出纵向和横向相干性，其将已知记录粉碎至少一个数量级。在二次光电发射中观察到的一致性的出现表明在目前理论光电发射框架的基础上发展了一种新的基本过程。因此，SrTiO₃提供了一种全新类型的光阴极量子材料的第一个例子，为需要强相干电子束而不需要单色激发、电子滤波或光束加速的应用开辟了新的前景。

近期，西湖大学何睿华副教授研究团队和美国东北大学 Arun Bansil 教授研究团队开展了一项角分辨光电子能谱（ARPES）研究，重点研究了 SrTiO3 重构表面发射的近阈值次级光电子。发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超传统的光阴极材料，且无法为现有理论所解释，为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。相关研究成果以“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”为题发表在《Nature》上。（郑佳慧）

文章链接：

DOI: 10.1038/s41586-023-05900-4

近年来，利用二维材料的范德华堆叠构造人工结构已经取得了显著的成果，极大地扩展了现代固体物理学的范畴。例如在石墨烯/六方氮化硼（h-BN）的范德华异质结构（vdWHs）中观察到包括分数量子霍尔效应、带隙打开、霍夫斯塔特蝴蝶态和门调谐Mott绝缘体在内的，许多由衬底moiré势引起的新奇现象。除异质结构外，石墨烯同质双分子层中的强耦合能产生平电子带，从而使得扭曲的双分子层石墨烯结构具有相关绝缘态和超导特性。除了电输运，vdWHs的光学性质和激发态动力学研究也取得了很大进展，过渡金属二卤化物异质双分子层中的层间激子研究一度掀起了凝聚态物理学的新高潮。此外，vdWHs中涉及的粒子/准粒子界面相互作用，包括层间载流子动力学、电子-声子耦合和层间声子相互作用也引起了广泛关注。这些新奇的物理特性作为光子学和光电子学的基础，使范德华异质结构在能量储存、光电探测、逻辑应用等领域的功能器件中得到实际应用成为可能。

近日，西北工业大学甘雪涛教授课题组报道了在具有中心对称的二维材料经范德华堆叠得到的异质结构中可以诱导产生显著的二次谐波(SHG)，对于传统材料而言，SHG只会在没有中心对称的结构中出现。该工作将本来不具有SHG现象的双层MoS2 (2LM)和单层石墨烯(1LG)进行范德华堆叠后，获得了很强的二次谐波信号，并通过第一性原理计算、拉曼光谱和偏振分辨二次谐波实验证明了这种SHG的起源是因为两个组分之间层间电荷的转移打破了2LM的反演对称性。在1LG和4LM的vdWHs中，也观察到了类似的现象。该研究表明，层间电荷转移可以有效地改变二维材料的对称性和非线性光学性质，同时证明了SHG是表征范德华堆叠异质结构层间耦合的有效手段。（侯玥盈）

文章链接：DOI: 10.1126/sciadv.adf4571

连续谱束缚态（Bound states In the Continuum，BIC）是连续辐射谱中的特殊模式，虽然存在于连续辐射谱中，但保持着局部束缚性。其中，对称保护的BIC是存在于在具有平移、旋转或镜像等几何对称性的系统中，需要保持结构的几何对称性。然而加工过程中不可避免的制造缺陷，会对结构产生微小扰动并可能破坏几何对称性，从而破坏受到对称保护的BIC。拓扑态由于具有缺陷免疫的拓扑保护特性引起广泛关注。最近，研究人员成功在三维拓扑半金属（Dirac、Weyl 、Nodal line半金属）中成功观测到高阶拓扑态。不同于由费米弧表面态表征的拓扑半金属，高阶拓扑半金属由一维边界上的铰链态表征。自提出以来，高阶拓扑半金属首先在声子晶体中实验实现，并相继在光子晶体和电路等系统中实现。近年来，研究人员将拓扑能带理论与BIC结合，成功在一些拓扑结构中证明拓扑BIC对几何扰动具有鲁棒性。然而，在高阶拓扑材系统中目前只观测到角态的BIC，并没有观测到铰链的BIC。因此，实现铰链BIC对高阶拓扑和BIC的发展都具有重要意义。

近日，武汉大学柯满竹和刘正猷课题组在三维声子晶体中实现了高阶Weyl半金属，并首次预测和观测到了连续谱铰链束缚态(Bound hinge states in the continuum，BHIC)。BHIC虽然在连续辐射谱中，但仍局域在三维声子晶体的铰链处，不与辐射的体模耦合。与体态间隙中铰链态的体极化不同，BHIC由非平庸表面极化表征而与体极化无关。此外，该高阶Weyl半金属还包含两个理想的三角Weyl复合体，可用于观测常见的拓扑表面态和带隙中的铰链态。该工作通过BHIC扩展了拓扑态的范围和BIC的实现体系，为探索不需要能谱隔离的高阶拓扑态开辟了新的途径。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（金梦成）

文章链接：

Z. Pu, H. He, et al. Acoustic Higher-Order Weyl Semimetal with Bound Hinge States in the Continuum. Phys. Rev. Lett. 130, 116103 (2023).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.116103

由于超表面较为平坦，并且具有较低的轮廓形状因子，因此常被用于控制电磁波传输。另外其平坦的表面结构同样有利于电路板印刷及以及光子调控技术实现，例如光线偏振的调控，电磁隐身以及波前控制等。然而，大多数超表面都遵循洛伦兹互异定则，即超表面的特征与波的传播方向是对称的，直到最近非互反超表面(NRM)才受到研究学者的关注。与传统超表面不同的是NRM具备方向性，例如，集成了NRM的天线罩可以抑制天线回波，并实现电磁波的任意发射和接收，除此之外NRM还可以通过使无线通信带宽翻倍来实现全双工无线通信。然而非互易性传输通常需要施加外部电场和磁场或依靠非线性效应，这使得NRM的大规模实际应用受到阻碍。

近日，电子科技大学毕磊、邓龙江研究团队报道了一种基于La:BaFe₁₂O₁₉磁单元的自偏置非互易超表面，具备高达77%的透光率以及±64°的可操控角度。由于材料的强磁矫顽力克服了单元之间的形状各向异性和磁静态相互作用，每个磁单元都可以沿任意方向单独磁化，利用这种磁单元的阵列制备了具有双向非互易性相梯度分布的NRM，通过改变阵列排布实现微波隔离、非互易光束偏转以及光束聚焦等效果。该工作所提出的NRM为电磁隐身技术、全双工通信等领域提供了重要指导意义，相关工作发表在《Nature Electronics》上。（袁铭谦）

文章链接：

W. Yang, J. Qin, J. Long, et al. A self-biased non-reciprocal magnetic metasurface for bidirectional phase modulation. Nat Electron (2023).

https://doi.org/10.1038/s41928-023-00936-w

由于混凝土的抗压强度高、成型容易、造价重量比低等优点，在建筑行业中使用最多。然而，混凝土脆性大，抗拉强度和拉伸应变能力低。为了解决这些缺点，研究者们进行了大量的研究。各种类型的加固被实施以改善混凝土的力学性能，从根本上改变混凝土行为以增加延展性。韧性材料在屈服时可以发生塑性变形并保持功能性，而脆性材料如混凝土在屈服时会立即失效。延展性可以增加混凝土材料在任何荷载条件下的能力，最重要的是结构应用中的弯曲、压缩和拉伸。目前研究还存在严重的不足，需要发现混凝土材料系统的新功能。多功能混凝土材料可以成为智能民用基础设施系统的关键组成部分，该系统具有可扩展性、成本效益，并且可以通过绿色收集能源来实现其运作。这一目标可以在力学超构材料启发的设计下潜在地实现。力学超构材料是通过人工设计的微/纳米结构来提供前所未有的力学性能的人工材料。近年来，探索用于工程应用的力学超构材料引起了越来越多的兴趣。然而，力学超构材料科学面临的一个主要挑战是如何将它们用于大型/大尺度应用，特别是在建筑行业，并利用它们的能力引入新的功能。

近日，美国匹兹堡大学Amir H. Alavi教授团队提出了集成纳米发电机的力学超构材料混凝土的概念，以设计具有能量收集和传感功能的轻质和机械可调的混凝土系统。所提出的超构材料混凝土系统是通过集成力学超构材料和纳米能量收集范式而创建的。这些先进材料是由完全嵌入导电水泥基体中的具有突弹跳变屈曲行为的增强拉胀聚合物晶格组成。通过合理地设计它们的复合结构，在机械激励/触发下诱导层与层之间的接触电化。石墨粉增强的导电水泥在所提出的系统中作为电极，同时提供所需的力学性能。对所设计系统的力学和电学性能进行了实验研究。超构材料混凝土体系在循环荷载作用下可实现高达15%的可压缩性。集成纳米发电机的超构材料混凝土原型的功率输出达到330 µW。此外，展示了纳米发电机混凝土系统用于大规模混凝土结构分布式健康监测的自供电传感功能。超构材料混凝土范式有可能实现具有广泛高级功能的智能民用基础设施系统的设计。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

K. Barri, Q. Zhang, J. Kline, et al. Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure[J]. Adv Mater, 2023: e2211027.

https://doi.org/10.1002/adma.202211027

非厄米哈密顿量构建起了一个丰富的框架来描述开放量子系统的后选择量子动力学，其中已发现多种在厄米系统中缺乏对应的现象，包括非厄米趋肤效应等。近年来，非厄密拓扑的推广以及非厄密物理中其他有趣的方面，如非厄密多体系统中的奇偶时间对称性破缺等都引起了人们的极大兴趣。然而尽管人们对非厄密多体物理的研究兴趣浓厚，目前有效的数值工具还比较缺乏。在很多场景下，传统厄密系统中的研究工具在非厄密系统中并不适用，需要针对非厄密系统进行重新开发。这其中就包括计算非厄密多体系统局部谱函数的有效算法，其能够揭示多体拓扑模式，将是解决拓扑相互作用的非厄密多体模型的关键点。

近期，芬兰阿尔托大学的Jose L. Lado课题组与清华大学的宋飞合作，提出了一种计算非厄密多体系统局部谱函数的多体非厄米核多项式算法。该工作构建了一个基于核多项式方法的算法来计算局部谱函数，其中矩阵积态(MPSs)被用来表示这些态，揭示了具有非平凡线隙拓扑的非厄密自旋链中的拓扑多体自旋激励。并且在非厄密趋肤效应存在的情况下，该方法也可以提供可靠的结果。这种算法可以有效地计算超出精确对角化能力的大尺寸非厄米多体系统的谱函数，向求解非厄米多体系统非平凡拓扑的关键开放问题迈出了重要的一步。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘梦洋）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.100401

光聚合物增材制造技术因为能够制造出部分传统工艺无法制造的试样，已经成为广受关注的技术之一。尽管一些阻燃型的3D打印树脂已投入商业使用，但确定树脂的最佳防火安全基准仍具有挑战性，因为不同3D打印部件应用（如航空与汽车）的防火程度与相关测试标准都不相同，基准的差异使得开发具有普遍防火性的树脂成为挑战。由此，光聚合物树脂材料的可燃性和3D打印出的晶格结构是其广泛应用的阻碍之一，尚未被充分解决。

近日，美国国家标准和技术研究所应用化学品和材料部Thomas J. Kolibaba团队研发了一种将水基纳米涂层沉积在具有简单（即密集固体）或复杂（即晶格）几何形状的3D打印部件上的防火工艺。在进行可燃性测试时，打印出来的零件没有熔体滴落，同时，在打印层界面上有失稳的趋势。对于非格子结构的部件，涂层对耐火性的改善可以忽略不计，但与未涂层的格子结构相比，格子结构的涂层大大增加了失效时间，最高可达340%。格子结构的表面积与体积比的增加增强了涂层和格子的协同效应。综上所述，纳米涂层晶格可以作为超材料，扩展了聚合物增材制造在极端环境中的应用。相关成果以“Synergistic Fire Resistance of Nanobrick Wall Coated 3D Printed Photopolymer Lattices”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（孙嘉鹏）

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c00177

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